Analisi Edge Break per la Metrologia Ottica 3D
Angoli e spigoli vivi di parti meccaniche lavorate vengono generalmente sottoposti a "rottura" per una serie di motivi attraverso un processo chiamato “Edge Break” che prevede l’arrotondamento di angoli acuti, la produzione di bordi arrotondati e, attraverso la lavorazione di un bordo piatto di transizione, la realizzazione di uno smusso. La produzione di un componente meccanico può richiedere decine di verifiche sulle lavorazioni edge break. Il loro controllo è impegnativo e richiede tempo. Eseguire agevolmente, con rapidità e precisione, queste importanti verifiche accelera i tempi di consegna e aumenta la fiducia nella geometria delle parti. La Metrologia 3D portatile con l’impiego di un software di analisi dedicato permette misure rapide e precise in produzione su parti meccaniche sottoposte a lavorazioni Edge Break.
La misura Edge Break oggi
I produttori lavorano i bordi per diversi motivi: per prolungare la longevità delle parti e garantire le loro prestazioni ma anche perché i bordi affilati rappresentano un problema per la sicurezza di coloro che le maneggiano. La mancanza di un'adeguata rottura del bordo può portare a un numero significativo di infortuni sul lavoro.
Le tolleranze sulle lavorazioni edge break sono molto importanti ed i disegni meccanici delle parti prodotte riportano numerose verifiche dimensionali che devono essere eseguite.
Esempi di smussi e bordi arrotondati su uno standard creato per l'analisi Edge Break. Questo standard ha smussi e bordi arrotondati interni ed esterni di dimensioni variabili.
Il raggio di curvatura (ROC) e la lunghezza di uno smusso nelle specifiche edge break tipicamente variano nel range compreso tra 50 µm (0.002”) e 1270 µm (0.05”) circa. Il ROC di un bordo arrotondato sarà idealmente costante lungo il bordo stesso e lungo la sua sezione, creando un'area curva tra i due piani laterali. Gli smussi tipicamente trasformano l’angolo di un bordo, solitamente un angolo retto o acuto, in due angoli ottusi uguali.
Ad oggi, gli smussi ed i raggi vengono misurati con tecniche visive e sistemi meccanici a stilo. Le ispezioni visive sono intrinsecamente soggettive, a seconda dell'operatore che le esegue, e dipendono dalle condizioni di illuminazione e di allineamento del comparatore ottico. Ma, ancora più importante, un’ispezione visiva non fornisce dati quantitativi. Questi metodi possono essere rapidi ed efficienti, ma non forniscono i dati necessari a garantire che la parte rientri nelle specifiche.
Gli strumenti forse più comunemente impiegati per la caratterizzazione delle geometrie edge break sono i profilometri 2D, sia meccanici a stilo che laser. Le misure bidimensionali, però, sono di solito soggette ad errori dovuti all’allineamento e possono essere alterate da irregolarità eventualmente presenti sul bordo stesso. Inoltre, con i sistemi a contatto le misure possono richiedere tempi lunghi, anche fino a 30 minuti, per la necessità di realizzare un buon allineamento e per la lentezza della misura stessa. I sistemi laser, invece, sono influenzati dalla finitura superficiale e non sono impiegabili su superfici riflettenti. Con una risoluzione laterale e verticale dell’ordine di decine di micron, inoltre, questa categoria di strumenti di misura non assicura la precisione necessaria per l’analisi metrologica richiesta dalla lavorazione edge break e dunque non elimina l’incertezza di misura.
In alternativa, nastri e gel di replica possono essere utilizzati per realizzare un facsimile del bordo che può essere inviato per l'analisi su un comparatore ottico. Queste repliche possono quindi essere sezionate in modo da poter misurare il ROC o la lunghezza dello smusso ma, anche in questo caso, le misure delle sezioni sono affette da errori dovuti all’allineamento. Inoltre, realizzare una replica, sezionarla e misurarla con un comparatore ottico è un processo che richiede tempo.
Metrologia 3D portatile in produzione
Le tecniche interferometriche possono essere impiegate per la Metrologia 3D, ma la maggior parte dei sistemi si basa su più camere e sono soggetti a vibrazioni ambientali che li rende di fatto non impiegabili come strumenti di misura portatili in produzione. L’impiego di una tecnica basata su luce strutturata polarizzata (PSL) permette di ottenere un sistema ottico di misura per la Metrologia 3D portatile pur mantenendo un'elevata precisione. Questa tecnica consente di eseguire misure 3D con una camera attraverso l’acquisizione istantanea di un singolo frame, garantendo robustezza alle vibrazioni e la portabilità dello strumento di misura richiesta per la Metrologia 3D in produzione. Con uno strumento a luce strutturata polarizzata, un operatore ha disponibile uno strumento portatile in grado di eseguire rapidamente acquisizioni 3D di superfici. L'insensibilità alle vibrazioni, inoltre, ne consente l’impiego in combinazione con un braccio robotico per la realizzazione di sistemi di Metrologia 3D con posizionamento rapido e automatizzato su più punti di componenti meccanici anche di geometria complessa.
L'analisi Edge Break con misure 3D
La capacità di acquisire mappe 3D di superficie in ambito dell’analisi edge break richiede anche l’impiego di tecniche avanzate per l’elaborazione di una grande quantità di dati. Un sistema PSL acquisisce milioni di punti di dati per ciascuna misura, e non solo lungo una singola traccia. Questo permette, inoltre, di scartare eventuali dati anomali. Attraverso l’analisi software, i dati dei punti acquisiti vengono adattati ai piani dei lati del bordo. In funzione della forma del bordo, la superficie tra i due lati viene elaborata come uno smusso o come il “best fitting” del cilindro del bordo arrotondato. Con l’analisi tridimensionale, l’acquisizione di un elevato numero di punti offre una maggiore affidabilità sulle dimensioni elaborate matematicamente ed eventuali errori di allineamento, come quelli descritti per le misure 2D, vengono eliminati.
Oltre ad eliminare eventuali punti anomali e riallineare i dati, il software di analisi può estrapolare distanze e geometrie del materiale che è stato rimosso dalla parte. Il software di analisi può calcolare la distanza tra il punto in cui termina un piano laterale ed il punto in cui i prolungamenti dei due piani laterali si intersecherebbero. Gli angoli tra questi piani e tutti gli altri parametri di progetto possono essere determinati in pochi secondi.
L'esecuzione così rapida delle misure di verifica dei parametri da disegno accelera i tempi di consegna delle parti. Ciò che in genere richiede minuti, ore o, se inviato in una sala metrologica, anche giorni per essere completato, ora è quasi istantaneo. Con una risoluzione su scala micrometrica ed un’accurata elaborazione dei dati l’incertezza di misura viene eliminata. Poiché gli operatori nel dubbio scartano cautelativamente il componente, la consapevolezza di una misura affidabile restringe il campo di incertezza. Con l’impiego di un sistema PSL, un operatore può misurare con sicurezza fino al limite delle specifiche. Questo permette di ridurre il numero degli scarti e di conseguenza ottimizzare il rendimento della produzione.
I parametri di uno smusso (in alto) e di un bordo arrotondato (in basso) identificati dal software di analisi Edge Break, incluse le lunghezze del materiale che è stato rimosso.
Le misure di bordi lavorati hanno sempre richiesto procedure lunghe e di difficile esecuzione e con l’esigenza di un aumento delle prestazioni, lo sviluppo di una metodologia semplice e veloce per la verifica dimensionale di smussi e raggi è diventata una necessità. Un sistema PSL è in grado di eseguire una misura di controllo edge break con la stessa semplicità con cui si scatta una fotografia del bordo stesso. L'analisi software elimina qualsiasi valutazione oggettiva con precisione fino a 50 µm. Tutti i parametri che caratterizzano la geometria edge break vengono visualizzati immediatamente nella finestra del software di analisi.
Misura di uno smusso su uno standard per Edge Break tramite sistema PSL
Analisi software di uno smusso. È possibile visualizzare la mappa 3D della superficie, i parametri calcolati dello smusso ed i punti identificati dal software come parte dei 3 piani individuali.
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